Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (Η/Μ) παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στην αστρονομική παρατήρηση. Είναι επομένως αναγκαίο να γνωρίσουμε λίγα πράγματα γι' αυτήν:

• Ποια είναι η φύση της.
• Πως παράγεται.
• Πως συνδέονται οι ιδιότητες ενός σώματος με τις ιδιότητες της Η/Μ ακτινοβολίας που εκπέμπει.

Ποια είναι η φύση της Η/Μ ακτινοβολίας;

Η μελέτη και η ερμηνεία φαινομένων στα οποία παρατηρείται εκπομπή, απορρόφηση, διάδοση ή ανάλυση ακτινοβολίας ξεκινάει από την εποχή του Νεύτωνα. Ωστόσο ο προσδιορισμός της φύσης της Η/Μ ακτινοβολίας με τη βοήθεια εννοιών που μας είναι οικείες από τη κλασική Φυσική παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες.

Η Η/Μ ακτινοβολία εμφανίζει παράξενη συμπεριφορά: Μια μεγάλη ομάδα φαινομένων (ανάκλαση, διάθλαση, συμβολή, περίθλαση κ.ά.) ερμηνεύεται, αν δεχθούμε ότι αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Αντίθετα, η ερμηνεία πολλών άλλων φαινομένων (το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η ακτινοβολία του μέλανος σώματος, τα γραμμικά φάσματα κ.ά.) απαιτεί να υποθέσουμε ότι αποτελείται από σωματίδια, τα αποκαλούμενα φωτόνια.

Ώστε η Η/Μ ακτινοβολία εμφανίζει ένα δυϊσμό: Σε ορισμένα φαινόμενα η συμπεριφορά της είναι κυματική και σε κάποια άλλα σωματιδιακή. Το Η/Μ κύμα και το φωτόνιο -δύο έννοιες φαινομενικά αντιφατικές- χρησιμοποιούνται συμπληρωματικά για την κατανόηση της φύσης της Η/Μ ακτινοβολίας. Ας δούμε μερικές βασικές τους ιδιότητες:

Η/Μ κύμα ονομάζεται ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό πεδίο που διαδίδονται μαζί στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός (c=300.000 Κm/s).

Παράγεται από ένα σημειακό φορτίο, π.χ. από ένα ηλεκτρόνιο που ταλαντώνεται αρμονικά με κάποια συχνότητα ν. Μέσα σε χρόνο μιας περιόδου (Τ) της ταλάντωσης το κύμα, αφού κινείται με ταχύτητα c, διανύει απόσταση λ=cT ή λ=c/ν (1) (δεδομένου ότι η περίοδος και η συχνότητα είναι αντίστροφα μεγέθη Τ=1/ν).

Το μέγεθος λ ονομάζεται μήκος κύματος. Η συχνότητα και το μήκος κύματος είναι τα δύο θεμελιώδη χαρακτηριστικά ενός κύματος. Βέβαια, αν γνωρίζουμε το ένα, μπορούμε από τη σχέση (1) να υπολογίσουμε και το άλλο.

Φωτόνιο: Ένα Η/Μ κύμα ορισμένης συχνότητας ν εμφανίζει σε πολλά φαινόμενα ιδιότητες που εξηγούνται μόνον αν δεχθούμε ότι αποτελείται από πανομοιότυπα σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά έχουν όλα την ίδια καθορισμένη ενέργεια και ονομάζονται φωτόνια. Μπορούμε δηλαδή να πούμε ότι τα φωτόνια συμπεριφέρονται σαν ενεργειακά πακέτα - κβάντα ενέργειας. Καθένα μεταφέρει ένα ποσό ενέργειας που προσδιορίζεται αποκλειστικά από τη συχνότητα του κύματος.

Ένα φωτόνιο εκπέμπεται, όταν κάποιο ηλεκτρόνιο ενός ατόμου μεταπηδήσει από μια τροχιά υψηλότερης ενέργειας, σε μιαν άλλη χαμηλότερης (αποδιέγερση του ατόμου). Μπορεί να συμβεί και το αντίστροφο: Κάποιο ηλεκτρόνιο ενός ατόμου να απορροφήσει ένα φωτόνιο ορισμένης ενέργειας και να μεταπηδήσει σε τροχιά υψηλότερης ενέργειας ή ακόμα και να διαφύγει μακριά από το άτομο. Τα φαινόμενα αυτά ονομάζονται διέγερση και ιονισμός του ατόμου, αντίστοιχα.

Πως σχετίζεται το φάσμα μιας ακτινοβολίας με τις ιδιότητες της πηγής από την οποία προέρχεται;

Το φάσμα μιας ακτινοβολίας είναι το σύνολο των απλών ακτινοβολιών στις οποίες αυτή αναλύεται. Κάθε απλή ακτινοβολία είναι ένα Η/Μ κύμα ορισμένης συχνότητας, επομένως αποτελείται από έναν αριθμό φωτονίων ίδιας ενέργειας. Είναι φανερό ότι, όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των φωτονίων που περιλαμβάνει, τόσο ισχυρότερη θα είναι και η παρουσία της στο φάσμα. Ώστε η μορφή του φάσματος μιας ακτινοβολίας εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται ο συνολικός αριθμός των φωτονίων της στις διάφορες απλές ακτινοβολίες που περιέχει.

Έτσι, ένα διάπυρο αέριο σε υψηλή πίεση, ένα διάπυρο στερεό ή υγρό σώμα εκπέμπει ακτινοβολία στην οποία ανιχνεύονται φωτόνια κάθε συχνότητας, σε διαφορετικά ωστόσο ποσοστά. Π.χ. το 15% των φωτονίων μπορεί να είναι στην περιοχή του ερυθρού, το 10% στην περιοχή του κίτρινου κλπ.

Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία της πηγής που εκπέμπει ακτινοβολία με συνεχές φάσμα, τόσο πιο πολλά φωτόνια με μεγάλες συχνότητες παρατηρούνται σ' αυτό. Λέμε τότε ότι το φάσμα "μετατοπίζεται" προς τις μεγάλες συχνότητες (ή μικρά μήκη κύματος).

Ας υποθέσουμε τώρα ότι "φωτίζουμε" ένα αέριο υπό χαμηλή θερμοκρασία και πίεση με μια ακτινοβολία συνεχούς φάσματος, και αναλύουμε την ακτινοβολία που διέρχεται τελικά μέσα από αυτό. Στο φάσμα της θα βρούμε φωτόνια κάθε συχνότητας εκτός εκείνων που αντιστοιχούν στο φάσμα εκπομπής του. Το αέριο έχει απορροφήσει τα φωτόνια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που έχουν τις δικές του συχνότητες (σχ. 2.6 β). Έτσι παίρνουμε ένα φάσμα απορρόφησης.

Σχήμα 2.6 Το αέριο περίβλημα ενός πλανήτη ή δορυφόρου. Όταν ο όρος αναφέρεται σε αστέρα, υποδηλώνει τα ανώτερα -ορατά- στρώματα της δομής του. α) Συνεχές φάσμα.Τέτοιο είναι το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως. β) Το φάσμα απορρόφησης του Ήλιου - φαίνονται μόνο οι πιο έντονες σκοτεινές γραμμές. γ),δ),ε),στ),ζ) Τα φάσματα εκπομπής των στοιχείων Na, H, Ca, Hg και Ne αντίστοιχα. Παρατηρήστε ότι οι φασματικές γραμμές ορισμένων στοιχείων ευθυγραμμίζονται με τις σκοτεινές γραμμές του ηλιακού φάσματος, γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη των στοιχείων αυτών στην ηλιακή ατμόσφαιρα.